土工格柵加筋陡坡路堤的力學行為分析

郭銘倍，宋玲*，劉杰，段彥福

(1石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子 832003; 2新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院,新疆 烏魯木齊 830006)

土工格柵具有良好的抗拉和耐腐蝕性能，在土體中鋪設土工格柵可以提高土體的抗拉強度，并增強土體結構的整體穩(wěn)定性。目前，國內外一些學者借助現場試驗或室內模型試驗以及有限元軟件對土工格柵加筋土結構的整體性和穩(wěn)定性開展了研究。賈敏才等[1]研究表明土工格柵可以限制路堤水平方向的位移，改善土體應力環(huán)境，避免路面的不均勻沉降，對路堤有顯著的加固作用；Perkins S W和Edens M Q[2]借助數值模擬描述土工格柵加筋土結構的性能，并將該模型的預測結果與一系列的拉拔實驗結果進行了比較，結果顯示土工格柵的蠕變對土工合成材料的變形影響很??；楊慶等[3]通過室內模型試驗發(fā)現加筋可以提高路堤邊坡的穩(wěn)定性，限制邊坡的側向位移，提高路堤邊坡的承載能力；徐林榮等[4]通過27個加筋土陡邊坡模型試驗得到多種影響因素下邊坡滑裂面的變化規(guī)律，探討了邊坡滑裂面的形態(tài)，得出可將筋材受力最大點作為筋材斷裂點。

借助大型有限元分析軟件對土工格柵加筋路堤進行模擬，不僅可以得到土工格柵的受力情況，還可以呈現土工格柵加筋路堤的位移和潛在滑裂面的變化情況，彌補以極限平衡理論為代表的主流設計方法在極限狀態(tài)下結構物性狀掌握不足的問題。文獻[3-6]通過模型試驗研究對加筋結構體展開了力學行為分析，但這些試驗受尺寸效應影響較大，也不可能完全還原施工的真實過程，同時，至今國內專門進行大型土工格柵加筋路堤現場監(jiān)測的實例也不多，因此，本文基于此在現場監(jiān)測的基礎上結合有限元數值分析，對土工格柵加筋陡坡路堤的整體穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

S101線沙灣段公路位于新疆沙灣縣境內天山北坡邊緣，起于沙灣縣S101線K192+400處，途徑沙灣縣石場鎮(zhèn)、西戈壁鎮(zhèn)、博爾通古鄉(xiāng)和鹿角灣景區(qū)，止于S101線K253+420處與省道S223相連。路線全長61.02 km，采用三級公路標準，路基寬度8.5 m，路面寬度7.0 m，路面為瀝青混凝土路面，標準軸載為BZZ-100。

K226+600—K226+702段地面橫坡較陡且需要收縮坡腳，本文選擇其中最高斷面K226+640作為監(jiān)測斷面(圖1)，其斷面高度為10.07 m，路堤邊坡坡率1∶0.75。

加筋材料為TGDG80HDPE單向土工格柵，綜合折減系數為5，設計容許抗拉強度為16 kN/m，斷面格柵布設方式見表1。

圖1 K226+600—K226+702段陡坡路堤實體工程Fig.1 Solid engineering of steep slope embankment in section K226+600～K226+702

表1 土工格柵層位設計表Tab.1 Geogrid layer design table

在土工格柵上安裝柔性位移計，位移計末端通過導線與S101線沙灣段公路建立的遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)相連接(圖2)，對土工格柵應變數據進行長期監(jiān)測和收集。

圖2 遠程監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Remote monitoring system

2 數值建模

2.1 模型建立

對監(jiān)測斷面進行有限元數值建模，模型高度為10.07 m，路堤寬度為8.5 m。借助Midas GTS NX有限元分析軟件采用三角形加四邊形網格劃分形式實現路堤的建模，結果如圖3所示。

圖3 數值模型Fig.3 Numerical model

在數值模型土工格柵單元上設置監(jiān)測點(圖3)，定位監(jiān)測點與加筋路堤內部柔性位移計埋設點的位置相同，監(jiān)測點水平間距2 m，其中第3、5、7層土工格柵(自下而上)最右側的監(jiān)測點距離邊坡50 cm，第10層和14層距離邊坡150 cm。

2.2 材料本構關系與參數選取

模擬加筋路堤時，模擬結果由選取的本構模型和計算參數所決定。本文模型的模擬對象分為填土、土工格柵和地基土，其中填土和地基土為粗粒土，根據大型三軸試驗結果[7]，本文土的本構關系設置為摩爾-庫倫模型；土工格柵在工作狀態(tài)下應力應變關系位于彈性范圍內，根據土工格柵的拉伸試驗結果[7]，本文土工格柵的本構關系為彈性模型，模型計算參數見表2。

表2 材料計算參數Tab.2 Material calculation parameter

2.3 建立接觸面

采用Midas GTX NX軟件內置的goodman單元作為筋土接觸單元，其界面接觸參數主要有粘聚力、內摩擦角、法向剛度和切向剛度4個參數。土工格柵截面和接觸特性參數見表3。

表3 界面接觸參數Tab.3 Interface contact parameter

2.4 模擬結果及分析

2.4.1 路堤滑裂面

土工格柵加筋陡坡路堤穩(wěn)定性分析方法中未考慮填土與土工格柵的協(xié)調變形，不能完全反映加筋路堤潛在滑裂面呈現的情況。采用有限元數值模擬進行路堤邊坡穩(wěn)定性的分析，主要通過2種依據進行判斷邊坡是否處于破壞狀態(tài)，一種是通過有限元數值計算得到力和位移的突變作為路堤邊坡失穩(wěn)的標志[8-9]，另一種將有限元數值模擬得到從坡腳到坡頂塑性貫通的區(qū)域作為路堤邊坡失穩(wěn)的依據[10]。因此，可以通過等效塑性應變的變化得出路堤的潛在滑裂面，也可利用路堤水平位移定量地確定路堤的潛在滑裂面[11]。

由未加筋路堤的塑性應變云圖(圖4)可以看出：

(1)路堤右側區(qū)域已經出現塑性區(qū)貫通，該區(qū)域從坡腳位置開始沿著滑弧向上延伸至路堤坡頂；滑裂面呈較陡的圓弧滑動，且離坡面位置很近。

(2)路堤結構已出現破壞現象，特別是坡腳位置破壞最為明顯，滑裂面以外位置的塑性應變值很小，有的接近于0，這些區(qū)域通常不會發(fā)生較大的破壞和變形。

(3)經數值計算得到加筋路堤的穩(wěn)定性系數為1.15，低于JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》路堤安全系數最小值1.45，表明該路堤結構處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 未加筋路堤塑性區(qū)分布Fig.4 Plastic zone distribution of unreinforced embankment

圖5是土工格柵加筋路堤的塑性應變云圖。

圖5 加筋路堤塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone distribution of reinforced embankment

對比圖5與圖4可知：加筋路堤潛在滑裂面的位置距離邊坡更遠，路堤塑性貫通區(qū)域向路堤內部移動，滑裂面底端已向地基處開始延伸。這與楊慶[3]通過室內小尺寸路堤邊坡模型試驗研究得到的結論一致。

對比加筋前后的路堤塑性區(qū)分布情況可知：與加筋路堤相比，未加筋路堤的塑性區(qū)域范圍的增幅較大，且未加筋路堤的塑性應變均值較加筋路堤的成倍增加，塑性應變最大值所處的位置幾乎沒變，但受筋土作用機理的影響減至0.139。此時加筋路堤中土體所提供的下滑力小于路堤邊坡的抗滑力，路堤邊坡處于狀態(tài)穩(wěn)定，主要是由于土工格柵對土體產生水平約束，使得路堤抗滑力增大，整體性增強，由數值計算得到的穩(wěn)定性系數1.72，說明此時路堤邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，土工格柵加筋可顯著提高路堤邊坡的穩(wěn)定性。

2.4.2 路堤水平位移

未加土工格柵路堤水平位移云圖(圖6)顯示：路堤邊坡沿著坐標軸X的指向(正向)形成一個滑裂面，其中滑裂面頂部位置最大水平位移約為19 cm；路堤水平位移最大值存在于滑裂面坡腳附近位置，其值約為29 cm，坡腳附近位置發(fā)生剪切破壞。坡腳附近水平位移值明顯大于坡頂，這是由于坡腳受到側向推擠的作用，加上路堤此時處于不穩(wěn)定狀態(tài)，路堤邊坡沿著水平方向發(fā)生了大幅度滑動。

圖6 未加筋路堤水平位移Fig.6 Horizontal displacement of unreinforced embankment

圖7是加筋路堤水平位移云圖。對比圖7與圖6可知：加筋路堤的潛在滑裂面較未加筋路堤明顯向路堤內部后移，加筋前后路堤潛在滑裂面的位置發(fā)生了明顯變動。

在用極限平衡法判斷路堤的滑裂面位置時，通常先對未加筋路堤進行穩(wěn)定性計算，得出滑動面位置，然后根據滑動面位置進行筋材布置設計，再進行加筋后的穩(wěn)定性計算。這種方法未考慮加筋前后路堤的滑裂面位置會發(fā)生變動，有一定的不合理性,因此，有限元法比極限平衡法更能準確的得出加筋以后路堤滑裂面的位置。

圖7顯示：

(1)水平位移負值區(qū)域主要分布在路堤邊坡滑裂面以外區(qū)域處。該區(qū)域沿著坐標X的負向產生很小位移，其值可以忽略不計，且與右側路堤邊坡滑動方向相反，所以其位移值表示為負數。

(2)路堤加筋前后最大水平位移位置大致相同，加筋區(qū)域水平位最大移值約為4.7 cm，相比未加筋區(qū)域減少了83.8%，表明加筋可有效限制路堤的水平位移。這主要是由于加筋使土體應力進行了重新分布，土工格柵在承受拉力后，筋材與土體之間的相互作用增大了土體的抗剪強度，使得路堤的整體性增強。

圖7 加筋路堤水平位移Fig.7 Horizontal displacement of reinforced embankment

3 土工格柵受力分析

分配加筋路堤的筋材時，利用極限平衡法能計算出土工格柵抗滑力總值，但不能準確得出每層筋材所承受的拉力，涉及到復雜工程，因此，本文采用極限平衡分析與數值計算相結合的辦法，尋求合理的加筋結構形式，確定合適的加筋布設方案，深入分析加筋路堤的穩(wěn)定性。

3.1 數值模擬的應變分析

利用有限元法能直觀的分析每層筋材的受力情況。土工格柵受力云圖(圖8)顯示：加筋路堤上部區(qū)域筋材所受拉力較小，中部和下部區(qū)域所受拉力較大。表明中部和下部區(qū)域的土工格柵對路堤穩(wěn)定性貢獻大于上部土工格柵，因此，在設計中應優(yōu)先采用上疏下密的布筋方式，在采用等間距布筋時，路堤中部和下部應選用較高強度的土工格柵。

圖8 筋材受力Fig.8 The reinforcement material stress

圖9顯示：路堤邊坡滑裂面區(qū)域的格柵應變較其它區(qū)域數值偏大，土工格柵應變最大值接近1.5%(編號3和4)。已知現場鋪設的土工格柵在2%伸長率時的拉伸強度為25.8 kN/m，推算出筋材所受最大拉力為19.35 kN/m，這僅為所用筋材極限抗拉強度值的24.18%，說明格柵受力與極限值仍相差較遠，土工格柵未達到破壞的狀態(tài)。路堤邊坡潛在滑裂面的出現使土體的受力狀態(tài)發(fā)生改變，土工格柵可以平衡土體的受力，同時也可以限制路堤邊坡的水平位移，因此，滑裂面區(qū)域的土工格柵受力較大，格柵應變大于其它部位應變值。

圖9 模擬與實測應變對比Fig.9 Comparison of simulated and measured strain

3.2 實時監(jiān)測的應變分析

選取施工完畢后第45天格柵應變實測數據進行分析，實測得到的土工格柵應變均為正值，說明所測位置的土工格柵均為受拉。所測7-4點的應變最大，僅為1.4%，該點所受拉力為18.0 kN/m，與設計值基本相同，說明設計方案合理。現場監(jiān)測結果(圖9)表明：

(1)不同層位的土工格柵應變值并不相同，路堤中部和下部位置應變值較大，而路堤上部區(qū)域的筋材應變值較小。

(2)實測應變最大值僅為筋材極限抗拉強度的22.5%。設計時通常將土工格柵的蠕變、施工損傷和老化因素考慮在內，利用折減系數對土工格柵強度進行折減。與現有蠕變試驗[2]、施工損傷[12]和老化試驗資料[13]對比分析后可知：土工格柵所受拉力較小時發(fā)生的蠕變變形很??；土工格柵施工損傷主要受路堤填料的影響；HDPE土工格柵受老化性能影響在較長一段時間內其拉伸強度仍變化不大。這充分表明現行規(guī)范中所采用的折減系數較為保守。

3.3 實測與模擬對比

模擬與實測得到的各層格柵應變分布對比結果(圖9)表明：

(1)實測與模擬得到的土工格柵受力規(guī)律大致相同，但加筋路堤內部受力情況不盡相同，主要是由于加筋體上部承受重力作用較小，重力作用主要傳達至中部和下部區(qū)域，中部和下部區(qū)域成為加筋路堤主要的受力區(qū)。

(2)每層格柵不同部位的應變分布不同，且各層格柵的應變分布規(guī)律也有所差別，其中，第3、5、7、10層格柵應變自路堤坡面至內部水平方向整體逐漸減小，第14層格柵由于靠近頂層且受荷載影響較小，其層位不同位置應變值差別不大。

(3)各層筋材應變最大值主要分布在滑裂面位置，路堤中部和距離路堤邊坡較遠處的格柵應變較小，這與Bathurst[14]通過試驗得出結論較為一致。分析其原因主要是，路堤邊坡會產生側向位移，土工格柵發(fā)揮加筋錨固作用限制土體的滑動，此時邊坡滑裂面位置的格柵受力最大，因此該部位的筋材應變最大，各層格柵應變最大點連起來形成滑裂面的形狀。

(4)與模擬計算值相比，第3和第5層格柵應變的監(jiān)測值較小，這與馮曉靜[15]通過路堤現場試驗研究所得的結論較為接近。這是因為底層格柵由于離地基較近，地基的摩擦限制作用對其產生了影響。

(5)由于加筋機理的復雜性，實測值與模擬計算值存在一定的差異，但是通過數值模擬能夠大體得出路堤內部筋材受力的規(guī)律，這可為優(yōu)化設計的方案提供一定的依據。

4 結論與建議

(1)可通過數值模擬云圖中路堤等效塑性應變的變化和水平位移數值確定路堤潛在滑裂面的位置。

(2)加筋使路堤滑裂面向內部移動，最大水平位移減少83.8%，說明加筋可顯著增強路堤的穩(wěn)定性。

(3)路堤下部格柵受力明顯大于上部。在實際設計中應優(yōu)先采用上疏下密的布筋方式，等間距鋪設土工格柵層，可考慮在中部和下部區(qū)域鋪設高強度的筋材。

(4)筋材的數值模擬計算值與實測值有差異，但整體符合路堤格柵受力特點。路堤滑裂面位置的筋材應變值為該層格柵應變最大值，筋材受力最大值僅為極限抗拉強度的24.18%，說明格柵受力有較大的富余度，從經濟性角度出發(fā)，在實際設計中應避免過于保守。